Offre de stage / 6-month internship: télédétection infrarouge thermique du manteau neigeux / thermal infrared remote sensing of the snow cover

English description below

Évaluation des images ECOSTRESS (Station Spatiale Internationale) pour la mesure de la température de surface de la neige en zone de montagne avec données in-situ issues de caméra thermique fixe et embarquée sur drone

Feb 2024 – Jul 2024, 6 mois

Niveau de formation : Master 2 / 3e année d’école d’ingénieur
Laboratoire : Institut des Géosciences de l’Environnement (IGE), Saint Martin d’Hères
Encadrant principal : Sara Arioli
Co-encadrants : Ghislain Picard, Simon Gascoin, Laurent Arnaud
Contacts : sara.arioli@univ-grenoble-alpes.fr
Prérequis : connaissances en sciences et observation de la Terre, observation de la Terre, bases du transfert radiatif, GIS
Mots clés : neige, infrarouge thermique, télédétection, topographie, drone

Contexte du stage : La température de surface du manteau neigeux est une grandeur d’intérêt pour caractériser le climat de montagne ainsi que pour modéliser l’évolution du manteau neigeux saisonnier.
Or, cette grandeur est extrêmement variable en région de montagne car elle est très sensible aux variations d’illumination, qui dépendent elles-même de la pente et de l’orientation de la surface, ainsi qu’aux variations de vitesse de vent à proximité de la surface, sensibles à la configuration locale du terrain. Les modèles existants permettant de calculer la température de surface (schéma de surface) considèrent souvent la surface de neige comme lisse et horizontale. En négligeant ainsi la rugosité, la pente et les réflexions des faces de montagne voisines, les termes du bilan radiatif estimés sont très loin de la réalité.

Dans le cadre de la préparation de la mission satellite Trishna du CNES, deux sites de calibration et validation des données satellite ont été mis en place au Col du Lautaret, dans les Alpes, et au Pic du Midi, dans les Pyrénées. Les variations spatiales et temporelles de la température de surface de la neige sur le site ont été monitorées pendant l’hiver entre 2021 et 2023 en utilisant des caméras infrarouges thermiques fixes et embarquées sur drone.

Objectifs du stage : l’objectif du stage est d’évaluer les températures de surfaces mesurées par le capteur Ecostress (capteur thermique installé à bord de la station spatiale internationale) dans les zones du Col du Lautaret et du Pic du Midi en utilisant les mesures in-situ à haute résolution collectés au cours des dernières années et des nouvelles acquisitions par drone à effectuer au cours du printemps 2024. La comparaison permettra de mieux comprendre les incertitudes des mesures spatiales de température de surface liées à leur résolution limitée par rapport à la topographie.

Le stage prévoit :

• L’extraction d’images de température de surface du capteur Ecostress embarqué sur la Station Spatiale Internationale.
• L’extraction de orthomosaïque d’images de température de surface acquises par drone, la mesure en laboratoire des paramètres nécessaires pour la correction radiométrique et l’application de cette dernière.
• Des journées de terrain pour l’acquisition de nouvelles images par drone et des données annexes nécessaires pour l’analyse.
• La comparaison spatiale des données terrain et données satellite, évaluation des différences par rapport aux différences de résolution, aux différents principes de mesure, et aux paramètres topographiques.

English description :

Internship context : The surface temperature of the snowpack is a key parameter for characterizing mountain climate and modeling the evolution of seasonal snow cover. However, this parameter is extremely variable in mountain regions, as it is highly sensitive to variations in illumination, which in turn depend on the slope and orientation of the surface, as well as to variations in wind speed near the surface, which are sensitive to the local configuration of the terrain. Existing models for calculating surface temperature (surface diagram) often consider the snow surface to be smooth and horizontal. By neglecting roughness, slope and reflections from neighbouring mountain slopes, the estimated radiation balance terms are far from reality.

As part of the preparations for the CNES Trishna satellite mission, two data calibration and validation sites were set up at the Col du Lautaret in the Alps and at the Pic du Midi in the Pyrenees. Spatial and temporal variations in snow surface temperature at the sites were monitored during the winter between 2021 and 2023 using fixed and drone-mounted thermal infrared cameras.

Internship objectives : the aim of the internship is to evaluate surface temperatures measured by the Ecostress sensor (thermal sensor installed on board the international space station) in the Col du Lautaret and Pic du Midi areas, using high-resolution in-situ measurements collected over the last few years and new drone acquisitions to be carried out in the spring of 2024. The comparison will provide a better understanding of the uncertainties of spatial surface temperature measurements linked to their limited resolution relative to topography.

Activities :

• Extracting surface temperature images from the Ecostress sensor onboard the International Space Station.
• Extraction of orthomosaics from surface temperature images acquired by drone, laboratory measurement of the parameters required for radiometric correction and application of the latter.
• Field days to acquire new drone images and ancillary data required for analysis.
• Spatial comparison of field and satellite data, assessing differences in resolution, measurement principles and topographical parameters.

Références

• Robledano et al. « Modelling surface temperature and radiation budget of snow-covered complex terrain. » The Cryosphere 16.2 (2022): 559-579. https://tc.copernicus.org/articles/16/559/2022/
• Hulley et al. « Validation and quality assessment of the ECOSTRESS level-2 land surface temperature and emissivity product. » IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing 60 (2021): 1-23. https://ieeexplore.ieee.org/document/9446892